KR20140088576A - 이중 폴리머 개량에 의한 슬러지 탈수 - Google Patents

Abstract

이중 폴리머 개량에 의한 슬러지 탈수법이 본원에 제공된다. 이중 폴리머 개량은 폴리머 응고제 및 폴리머 응집제를 포함한다. 상기 응고제는 에피클로로하이드린과 디메틸아민의 코폴리머 또는 디알릴디메틸암모늄 클로라이드의 호모폴리머를 포함한다. 에피클로로하이드린과 디메틸아민의 코폴리머는 선형이거나 가교형일 수 있으며, 가교제가 여러 화합물들 중 하나 이상으로부터 선택될 수 있다.

Description

이중 폴리머 개량에 의한 슬러지 탈수{SLUDGE DEWATERING WITH DUAL POLYMER CONDITIONING}

본 출원은 2011년 10월 25일자 출원된 중국 출원 일련 번호 2011 10344579x의 우선권을 주장하는 PCT 출원이고, 상기 출원의 개시 내용은 이의 전체가 본원에 참조로 포함된다.

기술 분야

본 발명은 슬러지의 탈수를 돕는 조성물 및 방법에 관한 것이다.

하수 및 산업 폐수를 처리하기 위한 활성 슬러지 공정에서는 다량의 슬러지가 발생된다. 현재, 슬러지 처리 비용은 전형적인 폐수 처리 플랜트(wastewater treatment plant: "WWTP")에 대한 작업 비용의 25 내지 45%에 달한다. 이러한 비용은 특히 한정된 국토를 지니는 국가 및 지역에서 매립 및 소각 비용이 증가함에 따라 계속 상승될 것으로 예상된다. 탈수 공정 후에도, 전형적인 슬러지는 상당량의 물(70 내지 85중량%)을 함유한다. 그러한 높은 함수량은 슬러지 처분 비용을 상당히 증가시키고, 그에 따라서 WWTP가 탈수 효율을 가능한 많이 개선시키는 것이 매우 바람직하다.

탈수 공정에서, 슬러지는 일반적으로 양이온성 폴리아크릴아미드-기반 폴리머(응집제(flocculant))를 사용하여 개량된다. 개량된 슬러지는 이후 물리적 공정, 예컨대, 원심분리, 벨트 프레스(belt press), 또는 필터 프레스(filter press)에 의해 탈수된다. 응집제는 콜로이드 및 다른 현탁 입자가 뭉쳐지게 하고, 그에 따라서 슬러지의 퇴적률과 여과성을 개선시킬 수 있다.

이에 따라서, 슬러지의 탈수를 개선시킬 필요가 있다. 요망되게는, 슬러지의 개선된 탈수는 슬러지의 보다 저렴한 처분 비용을 야기할 것이다.

응집은 슬러지 탈수를 위한 중요한 단계이다. 본 발명은 이중 폴리머 개량 프로그램을 도입함으로써 개선된 응집 공정을 제공한다. 폴리머 응집제에 더하여, 폴리머 응고제(polymeric coagulant)는 또한 응집 효율을 향상시키기 위해 슬러지에 적용된다. 전형적인 응집제-단독 개량에 비해서, 이러한 이중 폴리머 개량법은 슬러지로부터 보다 많은 물을 제거하며, 그에 따라서 슬러지 처분 비용, 예컨대, WWTP의 비용을 저하시킬 수 있다.

이에 따라서, 본 발명은 슬러지를 처리하는 방법에 관한 것이다. 슬러지는 물을 포함한다. 이러한 방법은 슬러지를 제공하고; 슬러지와 폴리머 응고제를 혼합하여 응고된 슬러지를 형성시키고; 응고된 슬러지를 양이온성 응집제와 혼합하여 응집된 응고 슬러지를 형성시키고; 응집된 응고 슬러지로부터 물의 적어도 일부를 제거함을 포함한다. 폴리머 응고제는 에피클로로하이드린과 디메틸아민의 코폴리머("Epi-DMA"), 디알릴디메틸암모늄 클로라이드의 호모폴리머("polyDADMAC"), 또는 이 둘의 조합물을 포함한다.

본 발명의 상기 및 그 밖의 특징 및 이점은 첨부된 특허청구범위와 함께 하기 상세한 설명으로부터 자명해질 것이다.

본 발명의 장점 및 이점은 하기 상세한 설명 및 첨부된 도면을 검토 한 후에 당업자에게 보다 용이하게 자명해질 것이다.

도 1은 실시예 1의 결과에 대한 도표이다.
도 2는 실시예 2의 결과에 대한 도표이다.

본 발명은 다양한 형태의 구체예를 허용하지만, 이하에서는 본 발명의 바람직한 구체예가 기재될 것이며, 이러한 개시 내용은 본 발명의 예시인 것으로 여겨야 하고, 본 발명을 예시된 특정 구체예로 제한하고자 의도된 것이 아님을 이해해야 한다.

또한, 본 명세서의 본 섹션의 타이틀, 즉, "본 발명의 상세한 설명"은 미국 특허청의 필요 요건과 관련된 것이고, 본원에 개시된 주제를 제한하는 것으로 암시하지 않으며 그러한 것으로 추론하지도 않아야 함을 이해해야 한다.

본 발명은 Epi-DMA 또는 polyDADMAC, 또는 이 둘의 조합물을 포함하는 물질의 조성물을 사용하는 방법에 관한 것이다. Epi-DMA는 선형 또는 가교형일 수 있다. 가교형일 경우, 가교형 Epi-DMA는 암모니아, 일차 아민, 2 내지 6개의 탄소 원자의 알킬렌 디아민, 폴리프로필렌폴리아민, 폴리에틸렌폴리아민, 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 가교제를 사용할 수 있다. 특정 구체예에서, 가교제는 헥사메틸렌디아민이다. 특정 구체예에서, Epi-DMA 및/또는 polyDADMAC는 십만 달톤에서 삼백만 달톤에 이르는 분자량을 지닐 수 있다. 특정 구체예에서, 분자량은 오십만 달톤 내지 이백만 달톤의 범위일 수 있다.

슬러지는 광물 입자, 미생물, 및 그 밖의 물질로 이루어질 수 있는 복합 겔-유사 물질이다. 당업자는 본 발명이 어떠한 종류의 슬러지에 관한 것임을 알 것이다. 슬러지의 한 가지 예에는 폐수 처리 플랜트("WWTP")로부터의 폐기물이 있다. WWTP의 두 가지 예에는 도시용과 산업용이 있다. 슬러지 입자의 표면은 일반적으로 음으로 하전된다. 통상적인 슬러지 개량에서, 슬러지는 500만 내지 1500만 g/mol 범위의 분자량을 지니는 폴리아크릴아미드 기반 양이온성 응집제에 의해 응집된다.

이러한 혁신에서, 슬러지는 먼저, Epi-DMA, polyDADMAC, 또는 이 둘의 조합물인 폴리머 응고제에 의해 처리된다. 가교형 Epi-DMA가 선택되는 경우, 가교제는 암모니아, 일차 아민, 2 내지 6개의 탄소 원자의 알킬렌 디아민, 폴리프로필렌폴리아민, 폴리에틸렌폴리아민, 또는 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 특정 구체예에서, 가교제는 헥사메틸렌디아민이다. 헥사메틸렌디아민은 또한 명칭 헥산-1,6-디아민; 1,6-디아미노헥산; 및 1,6-헥산디아민으로 알려져 있다. 특정 구체예에서, 폴리머 응고제의 분자량 범위는 오십만 내지 삼백만 달톤이다. 슬러지는 생물학적 슬러지, 일차 슬러지, 또는 생물학적 슬러지와 일차 슬러지의 혼합물일 수 있다.

일차 플록(floe)은 응고제의 처리 시 형성된다. 예를 들어, 도시 슬러지 샘플에 대한 평균 입자 크기는 100ppm의 응고제의 첨가 후에 37㎛에서 185㎛로 증가된다. 일차 플록은 육안으로 보이고, 탈수 전에 양이온성 응집제에 의해 추가로 응집될 수 있다.

응고제와 응집제의 최적의 투입량은 슬러지에 따라 다르고, 자 테스트(jar test)에 의해 결정될 수 있다. 일차 플록의 감소된 표면적 및 전하 요구량으로 인해, 이중 폴리머 프로그램에서 응집제의 최적의 투입량은 동일한 응집제를 적용하는 경우의 응집제 단독 프로그램보다 30 내지 80% 적을 수 있다.

본 발명자들은 폴리머 응고제, 및 특히 가교형 Epi-DMA가 슬러지를 처리하는데 특히 효과적임을 발견하였다. 이러한 이론으로 국한시키려는 것은 아니지만, 폴리머 응고제는 매우 높은 양이온성 전하 밀도를 지니기 때문에 슬러지 입자의 표면을 강하게 결합하는 것으로 여겨진다. 더 낮은 분자량의 응고제는 응고제 분자가 슬러지 겔 매트릭스 내부를 더 깊게 침투하게 하는 것으로 여겨진다. 전형적인 무기 응고제, 예컨대, 폴리알루미늄 클로라이드가 더 적은 효과를 나타내지만, 본 발명의 폴리머 응고제는 슬러지 입자가 일차 플록으로 뭉쳐지게 하는 듯하다. 이러한 일차 플록으로부터 구성되는 충분히 형성된 플록은 보다 조밀한(compact) 구조 및 더 높은 플록 강도를 지니고; 결과적으로, 탈수 시 더 높은 슬러지 케이크 건조가 달성될 수 있다.

특정 구체예에서, Epi-DMA는 가교제에 의해 가교된다. 가교제는 암모니아, 일차 아민, 2 내지 6개의 탄소 원자의 알킬렌 디아민, 폴리프로필렌폴리아민, 폴리에틸렌폴리아민, 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 특정 구체예에서, 가교제는 헥사메틸렌디아민이다.

특정 구체예에서, 폴리머 응고제가 먼저 슬러지에 첨가된다. 특정 구체예에서, 폴리머 응고제는 10중량ppm 초과이지만 800중량ppm 미만의 농도로 첨가될 수 있다. 특정 구체예에서, 슬러지 중 폴리머 응고제의 총 농도는 10중량ppm 초과이지만 800중량ppm 미만이다.

특정 구체예에서, 응집된 슬러지로부터의 물의 제거는 물리적 공정에 의해 수행된다. 물리적 공정의 예에는 여과 및 원심분리가 포함되지만, 이로 제한되지 않는다. 슬러지 처리의 당업자는 공정이 이러한 용어의 의미 내에서 물리적 공정인지 아닌지를 쉽게 알 것이다.

특정 구체예에서, 응집제는 양이온성 폴리머이다. 특히 적합한 응집제는 폴리아크릴아미드를 기반으로 한 것이다. 응집제는 하나 이상의 양이온성 모노머로 구성된 양이온성 폴리머일 수 있다. 양이온성 모노머의 예는 이로 제한되지는 않지만, 디메틸아미노에틸 아크릴레이트 메틸 클로라이드 사차 염("DMAEA-MCQ"), 디메틸아미노에틸 아크릴레이트 메틸 설페이트 사차 염, 디메틸아미노에틸 아크릴레이트 벤질 클로라이드 사차 염, 디메틸아미노에틸 아크릴레이트 황산 염, 디메틸아미노에틸 아크릴레이트 염산 염, 디메틸아미노에틸 메타크릴레이트 메틸 클로라이드 사차 염, 디메틸아미노에틸 메타크릴레이트 메틸 설페이트 사차 염, 디메틸아미노에틸 메타크릴레이트 벤질 클로라이드 사차 염, 디메틸아미노에틸 메타크릴레이트 황산 염, 디메틸아미노에틸 메타크릴레이트 염산 염, 디알킬아미노알킬아크릴아미드 또는 메타크릴아미드 및 이들의 사차 또는 산 염, 예컨대, 아크릴아미도프로필트리메틸암모늄 클로라이드, 디메틸아미노프로필 아크릴아미드 메틸 설페이트 사차 염, 디메틸아미노프로필 아크릴아미드 황산 염, 디메틸아미노프로필 아크릴아미드 염산 염, 메타크릴아미도프로필트리메틸암모늄 클로라이드, 디메틸아미노프로필 메타크릴아미드 메틸 설페이트 사차 염, 디메틸아미노프로필 메타크릴아미드 황산 염, 디메틸아미노프로필 메타크릴아미드 염산 염, 디에틸아미노에틸아크릴레이트, 디에틸아미노에틸메타크릴레이트, 디알릴디에틸암모늄 클로라이드 및 디알릴디메틸 암모늄 클로라이드("DADMAC")를 포함하여, 모노알릴 아민, 디알릴 아민, 비닐 아민, 디알킬아미노알킬 아크릴레이트 및 메타크릴레이트 및 이들의 사차 또는 산 염을 포함한다. 알킬 기는 일반적으로 C₁ 내지 C₄ 알킬이다.

특정 구체예에서, 폴리머 응고제 및 슬러지는 양이온성 응집제를 혼합하기 전에 사전혼합된다.

특정 구체예에서, 응고제 및/또는 응집제의 첨가는 혼합하에 수행된다. 그러나, 응고제 및/또는 응집제가 혼합하에 첨가될 필요가 없을 다른 기술이 존재할 수 있다. 그러한 기술은 Nalco Company(1601 West Diehl Road, Naperville, Illinois 60563, USA)로부터 구입가능한 Nalco PARETO Technology와 같은 분산용 노즐, 또는 다른 유사한 기술일 수 있다.

실시예

하기 실시예는 본 발명을 더 잘 이해시키고자 제공된 것이다. 이러한 실시예는 허용되는 청구항에 기재된 것들의 범위를 벗어나 본 발명의 범위를 좁게 하는 것으로 해석되지 않아야 한다.

실시예 1:

도시 WWTP로부터 슬러지 샘플(2.1% 총 현탁된 고형물("TSS"))을 취하였다. 현장에서 탈수된 슬러지는 16.5%의 슬러지 케이크 고형물 함량을 지녔다. Nalco Core Shell® 라인의 응집제로부터 양이온성 응집제를 선택하였다. 슬러지 샘플 및 폴리머 용액을 자 테스터에 의해 혼합하고, 개량된 슬러지의 모세관 흡입 시간(capillary suction time: "CST")을 기록하였다. 가장 낮은 CST 값을 지니는 폴리머 농도로 최적의 폴리머 투입량을 결정하였다. 그 후에, 산업용 벨트 프레스 장비를 시뮬레이션하는 실험실 여과 장치에서 개량된 슬러지를 탈수하였다. 생성된 슬러지 케이크를 일정한 중량과 고형물 함량이 분석될 때까지 105℃에서 건조시켰다. 도 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 응집제-단독 개량 방법은 약 16%의 슬러지 케이크 고형물을 지니고, 이러한 함량은 133ppm의 폴리머 응고제(약 150만 달톤의 분자량을 지니는 헥사메틸렌디아민 가교형 Epi-DMA)로 약 19%까지 증가하고, 266ppm의 응고제로 약 20%까지 추가로 증가하였다. 최적의 응집제 투입량은 약 120-200ppm에서 30-90ppm로 저하되었다. 총 슬러지 부피 감소는 133-ppm 응고제 농도에서 약 16%였다.

실시예 2:

정유 공장 WWTP로부터 슬러지 샘플(3.7% TSS)을 취하였다. 현장에서 탈수된 슬러지는 15.6%의 슬러지 케이크 고형물 함량을 지녔다. 실험 프로토콜은 실시예 1과 유사했다. 도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 응고제가 더해진 응집제 프로그램은 약 21%의 슬러지 케이크 고형물 함량을 지녔는데, 이는 응집제 단독 프로그램보다 4-6% 높은 것이다. 응고제가 더해진 응집제의 사용은 약 20%의 슬러지 총 부피 감소를 제공하였다.

본원에 언급된 모든 특허는 본 발명의 문맥 내에 구체적으로 그러한 것이든 아니든 여부와 상관없이 본원에 참조로 포함된다.

본 발명에서, 단수형 단어는 단수형과 복수형 둘 모두를 포함하는 것으로 이해해야 한다. 반대로, 복수의 항목에 대한 어떠한 언급은, 적절한 경우, 단수형을 포함할 것이다.

본원에 개시된 모든 범위 및 파라미터는 이에 추론되고 포괄되는 임의의 그리고 모든 부분범위, 및 종점들 사이의 모든 수를 포함하는 것으로 이해된다. 예를 들어, "1 내지 10"의 명시된 범위는 최소값 1과 최대값 10 사이의(및 이를 포함) 임의의 그리고 모든 부분범위를 포함하는 것으로 간주되어야 한다. 즉, 모든 부분범위는 1 또는 그 초과의 최소값(예, 1 내지 6.1)으로 시작하고, 10 또는 그 미만의 최대값(예, 2.3 내지 9.4, 3 내지 8, 4 내지 7)으로 끝나며, 마지막으로 상기 범위에는 각각의 값 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 및 10이 함유된다.

상기로부터, 다수의 변경 및 변형이 본 발명의 새로운 개념에 대한 실제 사상 및 범위로부터 벗어남 없이 이루어질 수 있음이 관찰될 것이다. 예시된 특정 구체예 또는 실시예와 관련된 제한은 의도되지 않고, 이로 추론되지 않아야 함을 이해해야 한다. 본 발명은 청구항의 범위 내에 속하는 모든 그러한 변경을 첨부된 청구항에 의해 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (20)

1. 함수 슬러지를 처리하는 방법으로서,
   함수 슬러지를 제공하고;
   에피클로로하이드린과 디메틸아민의 코폴리머, 디알릴디메틸암모늄 클로라이드의 호모폴리머, 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 폴리머 응고제(polymeric coagulant)를 상기 슬러지와 혼합함으로써 응고된 슬러지를 생성시키고;
   상기 응고된 슬러지와 양이온성 응집제(flocculant)를 혼합함으로써 응집된 응고 슬러지를 생성시키고;
   상기 응집된 응고 슬러지로부터 물의 일부 또는 전부를 제거함을 포함하는 방법.
2. 제 1항에 있어서, 폴리머 응고제가, 가교제에 의해 가교된 에피클로로하이드린 및 디메틸아민을 포함하는 방법.
3. 제 2항에 있어서, 가교제가 암모니아, 일차 아민, 2 내지 6개의 탄소 원자의 알킬렌 디아민, 폴리프로필렌폴리아민, 폴리에틸렌폴리아민, 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
4. 제 3항에 있어서, 가교제가 2 내지 6개의 탄소 원자의 알킬렌 디아민을 포함하는 방법.
5. 제 4항에 있어서, 2 내지 6개의 탄소 원자의 알킬렌 디아민이 헥사메틸렌디아민인 방법.
6. 제 1항에 있어서, 폴리머 응고제가 십만 달톤 내지 삼백만 달톤 범위의 분자량을 지니는 방법.
7. 제 1항에 있어서, 폴리머 응고제가 10중량ppm을 초과하지만 800중량ppm 미만인 농도로 슬러지와 혼합되는 방법.
8. 제 1항에 있어서, 물을 제거하는 것이 물리적 공정에 의해 수행되는 방법.
9. 제 8항에 있어서, 물리적 공정이 여과, 원심분리, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
10. 제 1항에 있어서, 폴리머 응고제 및 슬러지가 양이온성 응집제를 혼합하기 전에 사전혼합되는 방법.
11. 제 1항에 있어서, 슬러지가 생물학적 슬러지, 일차 슬러지 또는 생물학적 슬러지와 일차 슬러지의 혼합물을 포함하는 방법.
12. 제 1항에 있어서, 양이온성 응집제가 폴리아크릴아미드-기반 양이온성 폴리머를 포함하는 방법.
13. 함수 슬러지를 처리하는 방법으로서,
    함수 슬러지를 제공하고;
    에피클로로하이드린과 디메틸아민의 코폴리머, 디알릴디메틸암모늄 클로라이드의 호모폴리머, 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 폴리머 응고제를 상기 슬러지와 혼합함으로써 응고된 슬러지를 생성시키고;
    상기 응고된 슬러지와 양이온성 응집제를 혼합함으로써 응집된 응고 슬러지를 생성시키고;
    상기 응집된 응고 슬러지로부터 물의 일부 또는 전부를 제거함을 포함하며,
    상기 폴리머 응고제가, 암모니아, 일차 아민, 2 내지 6개의 탄소 원자의 알킬렌 디아민, 폴리프로필렌폴리아민, 폴리에틸렌폴리아민, 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택된 가교제에 의해 가교되는 에피클로로하이드린 및 디메틸아민을 포함하고,
    상기 폴리머 응고제가 십만 달톤 내지 삼백만 달톤 범위의 분자량을 지니고,
    상기 폴리머 응고제가 10중량ppm을 초과하지만 800중량ppm 미만의 농도로 슬러지와 혼합되는 방법.
14. 제 13항에 있어서, 가교제가 2 내지 6개의 탄소 원자의 알킬렌 디아민을 포함하는 방법.
15. 제 14항에 있어서, 2 내지 6개의 탄소 원자의 알킬렌 디아민이 헥사메틸디아민인 방법.
16. 제 13항에 있어서, 물을 제거하는 것이 물리적 공정에 의해 수행되는 방법.
17. 제 16항에 있어서, 물리적 공정이 여과, 원심분리, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
18. 제 13항에 있어서, 폴리머 응고제 및 슬러지가 양이온성 응집제를 혼합하기 전에 사전혼합되는 방법.
19. 제 13항에 있어서, 슬러지가 생물학적 슬러지, 일차 슬러지 또는 생물학적 슬러지와 일차 슬러지의 혼합물을 포함하는 방법.
20. 제 13항에 있어서, 양이온성 응집제가 폴리아크릴아미드-기반 양이온성 폴리머를 포함하는 방법.